Распространение радиоволн. Учебное пособие

80–100 км. Условия распространения при этом такие же, как и в сферическом волноводе: есть даже критическая длина волны (~100 км).

Расч¸т радиолиний на СДВ и ДВ обычно проводится по эмпирическим формулам, чаще всего по формуле Остина [1]

Здесь мощность Ð подставляется в киловаттах; расстояние r и длина волны — в километрах; угол — геоцентральный угол между точками излучения и приема: r/R0; R0 — радиус Земли. Действующее значение напряженности электрического поля в формуле (6.1) определяется в милливольтах на метр.

Особенностью формулы Остина является необычная зависимость напряженности поля от расстояния. В противоположной точке Земли — точке антипода — формула Остина дает бесконечное значение поля, так как 180°. В действительности в этой точке наблюдается некоторое увеличение поля, поскольку в нее приходят в фазе волны, обогнувшие Землю с разных направлений. Это явление получило название «эффект антипода». Реально формулой Остина пользуются на расстояниях от 2 до 18 тыс. км.

Основное преимущество линий связи на ДВ и СДВ — большая устойчивость напряж¸нности электрического поля. Вели- чина сигнала мало меняется в течение суток и в течение года и не подвержена случайным изменениям.

Основной недостаток — ограниченный частотный диапазон, а также необходимость использовать громоздкие антенны. Во всем частотном диапазоне СДВ и ДВ (3 кГц — 300 кГц) не разместится даже один телевизионный канал, который требует полосы 8 МГц.

На СДВ иногда наблюдается интересное явление — «свистящие атмосферики». Оно проявляется в появлении в приемнике характерного свиста, частота которого постепенно понижается. Причиной появления «атмосфериков» являются грозовые разряды в другом полушарии Земли. Как отмеча- лось при изучении ионосферы, магнитное поле Земли вызывает расщепление волны на обыкновенную и необыкновенную.

Анализ показателя преломления необыкновенной волны (см. формулу (5.41)) при частотах, меньших плазменной, показывает, что он не обращается в нуль ни при какой электронной концентрации. Это означает, что такие сверхнизкие частоты могут пронизывать ионосферу, удаляться от Земли на десятки ее радиусов и возвращаться на Землю вдоль магнитных силовых линий Земли. Понижение частоты звучания «атмосферика» связано с сильной дисперсией этих частот в ионосфере. Более высокие частоты имеют большую скорость и раньше приходят в пункт приема, чем низкие. Изучение «свистящих атмосфериков» дает научную информацию о состоянии атмосферы на больших расстояниях от Земли.

Устойчивость сигнала на ДВ и СДВ объясняет их широкое применение для построения навигационных систем. Однако суточные изменения слоя D приводят к изменению высоты сферического волновода, в котором распространяются эти волны на большие расстояния. Это, в свою очередь, вызывает изменение фазовой скорости, что приводит к ошибкам в определении местоположения объекта.

Несмотря на крайнюю ограниченность частотного диапазона, длинные и сверхдлинные волны находят очень важное применение. Кроме радионавигации, они используются для обеспечения надежной радиотелефонной и телеграфной связи на дальние расстояния и радиовещания. Кроме того, они могут использоваться для связи с подводными объектами, например подводными лодками, поскольку только волны этих диапазонов (наряду с оптическими) испытывают относительно слабое поглощение в морской воде.

6.2. Особенности распространения средних волн

К средним волнам (СВ) относятся радиоволны длиной от 100 до 1000 м (частоты 0,3–3 MГц). Средние волны могут распространяться как земные и как ионосферные.

Напряженность электрического поля земных радиоволн СВ-диапазона для малых расстояний (до 200 км) рассчитывают по формуле Шулейкина — Ван-дер-Поля, а для больших

расстояний — по дифракционным формулам (см. подразд. 2.6). Средние волны испытывают существенное поглощение земной поверхностью и поэтому СВ-радиолинии, использующие земные радиоволны, имеют протяж¸нность не более 700 км. Все особенности распространения земных радиоволн при низко расположенных антеннах, рассмотренные ранее, проявляются именно в диапазоне средних волн.

Ионосферная волна способна отразиться лишь при концентрации, свойственной слою Å. Через слой D (самый низкий) волна проходит и сильно в н¸м поглощается. Слой D ионосферы появляется только дн¸м, и поэтому ночью поглощение средних волн в ионосфере значительно уменьшается.

Если пункт приема находится в зоне действия земной волны, то с наступлением темноты в эту точку начинает попадать также и ионосферная волна. Интерференция земной и ионосферной волн приводит к замираниям — случайным колебаниям поля сигнала. Для замираний еще употребляется термин «фединг». В случае когда приемная станция расположена вне области действия земных радиоволн, замирания обязаны своим происхождением интерференции ионосферных волн, претерпевших разное число отражений от ионосферы. Для борьбы с замираниями на средних волнах применяются специальные антенны, у которых максимум диаграммы направленности прижат к земной поверхности, — так называемые антифединговые антенны.

Только в диапазоне средних волн наблюдается сравнительно редкое явление — перекрестная модуляция. Оно проявляется в том, что сигнал мощной радиостанции модулирует своим полем число соударений электронов с нейтральными молекулами. В результате в такт с сигналом мощной радиостанции изменяется поглощение радиоволн других станций. В этом проявляются нелинейные свойства ионосферы — поглощение зависит от напряженности поля волны мощной радиостанции. Впервые этот эффект наблюдался в 1924 году после начала работы крупной радиостанции в городе Горьком (ныне Нижнем Новгороде), которая модулировала своим сигналом передачи радиостанции в Люксембурге. Поэтому данный эффект называется также Люксембург-Горьковским эффектом.

Действенных мер борьбы с этим эффектом не существует, и на практике ограничиваются рекомендациями использовать на мощных станциях антифединговые антенны.

Средние волны используются, главным образом, в радиовещании. В заключение сформулируем кратко особенности распространения средних волн.

1.На небольших расстояниях (до 1000 км) от передатчика преобладает земная волна. Связь устойчивая и не зависит от времени суток и года. Расчет напряженности поля можно вести по формуле Шулейкина — Ван-дер-Поля (для расстояний, меньших 200 км) или по дифракционной формуле и графикам, составленным на ее основе (см. разд. 3).

2.На больших расстояниях от передатчика связь осуществляется только ионосферной волной. Поэтому днем связь практически отсутствует (из-за поглощения в слое D), ночью диапазон «оживает». Связь относительно устойчивая, замирания вызваны приходом в точку наблюдения нескольких волн, претерпевших разное число отражений от Земли и ионосферы.

3.В промежуточной области днем прием идет на земную волну и ослабленную в слое D ионосферную. Интерференция этих небольших по интенсивности волн приводит к значительным колебаниям уровня сигнала — замираниям. Ночью ионосферная волна преобладает над земной. Связь становится более устойчивой.

4.Расчет напряженности поля ионосферных волн ведут по эмпирическим формулам или по графикам, составленным на основе экспериментальных данных [1, 4, 12].

6.3.Распространение коротких волн

Êкоротким волнам (КВ) относятся радиоволны с длиной волны от 10 до 100 м (частоты 3–30 MÃö).

Слабовыраженная дифракция и сильное поглощение земных волн приводят к тому, что короткие волны как земные могут распространяться лишь на расстояния порядка десятков километров.

Основной интерес для радиосвязи представляют ионосферные волны. Короткие волны проходят слои D è E, испытывая в

них поглощение, отражение происходит от слоя F. Распространение ионосферных коротких волн имеет ряд особенностей. Рассмотрим основные из них.

1.Распространение радиоволн на большие расстояния происходит путем последовательных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Радиоволна как бы совершает скачки с Земли к ионосфере и обратно. Длина одного скачка зависит от высоты отражающего слоя и угла падения волны на ионосферу. Максимальные скачки получаются, если излучение направлено вдоль Земли. За один такой скачок волна покрывает рас-

стояние от 3000 км при отражении от слоя F1 до 4000 км при отражении от слоя F2 .

2.Способность коротких волн распространяться, как ионосферные, на большие расстояния объясняется их слабым затуханием в ионосфере. Как было установлено в подразд. 5.5, поглощение на высоких по сравнению с числом соударений частотах обратно пропорционально квадрату частоты. Именно этот случай характерен для коротких волн.

3.Ограниченность рабочего диапазона. В диапазоне коротких волн существуют понятия максимально применимой ча- стоты (МПЧ) и наименьшей применимой частоты (НПЧ). Существование МПЧ объясняется с помощью закона секанса (см. формулу (5.24)). Из него следует, что для заданного расстояния, меньшего длины одного скачка, и для заданной электронной концентрации слоя существует максимальная частота, способная от него отражаться. Существование НПЧ объясняется частотной зависимостью поглощения в ионосфере. При понижении частоты поглощение быстро увеличивается, уровень сигнала в точке приема уменьшается, и при НПЧ напряженность поля принимает пороговое значение, ниже которого прием невозможен. Очевидно, что и МПЧ, и НПЧ зависят от параметров ионосферы: электронной концентрации и числа соударений. НПЧ зависит также от параметров аппаратуры: излучаемой мощности, чувствительности приемника и т.п. Для коротковолновых линий радиосвязи актуальна проблема правильного выбора оптимальной рабочей частоты для радиосвязи (ОРЧ). Поскольку концентрация электронов в слое F меняется в течение суток, то существуют так называемые дневные (длины волн 10–25 м) и ночные (35–100 м) волны.

4.Существование зоны молчания, упоминавшейся ранее в подразд. 5.3. Она представляет собой кольцевую область около передающей антенны. В зоне молчания прием радиоволн с данной аппаратурой невозможен. Внутренняя граница зоны молчания определяется напряженностью поля земной волны, достаточной для радиоприема. Очевидно, что положение этой границы зависит от мощности передатчика, чувствительности приемника, параметров антенн и т.п. Внешняя граница зоны молчания определяется из условия, что рабочая частота является МПЧ для данного расстояния.

Земные волны в зоне молчания слишком слабы из-за поглощения в Земле, а ионосферные отражаются под большими углами падения и поэтому попадают на Землю за зоной молча- ния. Очевидно, что в течение суток внешняя граница зоны молчания передвигается, а внутренняя неподвижна.

5.Замирания сигнала на коротких волнах в основном объясняются интерференцией нескольких волн, приходящих в точ- ку приема (см. подразд. 6.1). Это могут быть волны, претерпевшие разное число отражений от ионосферы, либо обыкновенная

èнеобыкновенная волны (см. подразд. 5.6), либо и то и другое. Кроме интерференционных, наблюдаются еще поляризационные замирания, связанные с поворотом плоскости поляризации при прохождении через ионосферу (эффект Фарадея).

Для борьбы с замираниями на КВ-линиях связи обычно применяют прием на несколько разнесенных в пространстве антенн. Расстояние между антеннами выбирается так, чтобы замирания сигналов слабо коррелировали между собой. На практике для этого достаточно разнести антенны на 10 . Выигрыш за счет разнесенного приема даже двух антенн может достигать 10 и более децибел [4].

6.Влияние ионосферных возмущений. В ионосфере кроме регулярных (суточных, сезонных) изменений часто наблюдаются возмущения, во время которых электронная концентрация слоя F значительно изменяется. В основном ионосферные возмущения вызываются потоками заряженных частиц — корпускул, испускаемых Солнцем во время солнечных вспышек. Потоки корпускул, попадая в магнитное поле Земли, двигаются вдоль магнитных силовых линий и концентрируются в приполярных областях, вызывая полярные сияния, магнитные бури

1366. Диапазонные особенности распространения радиоволн

èнарушения связи на коротких волнах. Для борьбы с такими нарушениями связи приходится переходить на более низкие частоты, увеличивать мощности передатчиков или использовать линии связи, проходящие в более южных широтах.

7.Расчет коротковолновых линий связи в основном сводится к составлению графика рабочих частот (волнового расписания) и расчету напряженности поля в точке приема. График рабочих частот строится на основе зависимости МПЧ от времени суток. Для определения МПЧ существуют приближенные методы, описанные в литературе [1, 3, 4, 12]. Для построения графика рабочих частот на основе данных ионосферных станций Земли составляются официальные прогнозы максимально применимых частот [14].

Расчет напряженности поля производится по методу А.Н. Казанцева на основе графиков для затухания волн в ионосферных слоях. Подробнее с этим методом можно ознакомиться по литературе [1, 3, 4, 12].

Короткие волны применяются в основном для радиовещания. Преимущество коротковолновых линий связи — способность распространяться на большие расстояния, испытывая слабое поглощение в Земле и ионосфере.

6.4. Распространение ультракоротких волн

Радиоволны с длиной волны короче 10 м (частота свыше 30 Мгц) относятся к УКВ-диапазону. Снизу по частоте УКВдиапазон ограничен KB-диапазоном, сверху — инфракрасными волнами. Обычно УКВ-радиолинии действуют в пределах прямой видимости, поскольку ионосфера для УКВ-диапазона прозрачна. Это является основным недостатком УКВ и в то же время их достоинством, когда нужно избавиться от взаимных помех УКВ-станций. Несомненно, ценным свойством ультракоротких волн является большой частотный диапазон, позволяющий обмениваться значительными объемами информации. Так, для метровых и дециметровых волн диапазон частот составляет около 3000 Мгц. Если принять для одного ТВканала полосу частот 10 МГц (на практике 8 МГЦ), то это позволяет разместить в данных диапазонах 297 телевизионных

каналов. Для сравнения, во всем КВ-диапазоне разместятся три телевизионных канала, а на средних —ни одного.

Постоянная тенденция радиотехники — переход на все более высокие частоты — приобретает особое значение в связи с развитием спутниковой и мобильной связи, развитием сети Интернет и пр. Поэтому рассмотрим особенности распространения УКВ более подробно, чем других диапазонов.

6.4.1.Распространение УКВ

âпределах прямой видимости

Êлиниям связи этого типа относятся:

1)телевизионное и УКВ-вещание;

2)радиорелейные линии связи (РРЛ) и радиолокационные станции (РЛС);

3)связь с искусственными спутниками Земли (ИСЗ) и другими космическими объектами;

4)различные виды мобильной связи.

Вопросы распространения радиоволн для этих линий связи являются во многом общими, хотя и имеют некоторые особенности. Рассмотрим их подробнее.

Телевизионное и УКВ-вещание. Поскольку телевизионные антенны, как правило, слабонаправленные, то отражение от Земли формирует диаграмму направленности в вертикальной плоскости. Для увеличения дальности вещания антенны передат- чика и при¸мника поднимают над земной поверхностью — это увеличивает расстояние прямой видимости и прижимает нижний лепесток ДН антенн к Земле.

Если поверхность Земли является достаточно гладкой, то для расч¸та радиолинии применяют интерференционную формулу и, в частности, формулу Введенского. Для оценки неровности земной поверхности используется критерий Рэлея. Эти вопросы рассмотрены в разд. 2 данного пособия.

Влияние тропосферы учитывается введением эквивалентного радиуса Земли для нормальной тропосферы. Поглощением в тропосфере для метровых и дециметровых волн можно пренебречь. Распространение волн этих диапазонов в условиях города, конечно, имеет свои особенности, связанные с экранирующим действием зданий. По имеющимся в литературе

[15] данным измерение напряженности поля в Москве на уровне улиц на частоте 49,75 МГЦ дало дополнительное ослабление 6 дБ, а на частоте 200 МГц — 10 дБ. Внутри зданий дополнительное ослабление увеличивается по мере перехода с верхних этажей на нижние. Так, на седьмом этаже поле может составлять от 6 до 40 % от напряженности поля на крыше, а на первом от 3 до 7 %. Большой разброс этих значений объясняется интерференцией прямой волны и волн, отраженных от стен и других предметов.

Работа РРЛ и РЛС. Расстояние между соседними станциями РРЛ (30–50 км) и высоты антенн (до 100 м) выбираются так, чтобы антенны находились в пределах прямой видимости,

àобласть пространства, существенная для распространения радиоволн, была свободна от местных предметов. При этом влиянием Земли можно пренебречь. Диапазон применяемых частот ограничен сверху поглощением в тропосфере (10–15 ÃÃö),

àснизу — снижением усиления антенн и полосой частот для передачи необходимой информации (200–300 МГц). Тропосфера учитывается, как и в предыдущем случае, введением эквивалентного радиуса Земли для нормальной тропосферы. Нестационарные процессы в тропосфере являются причиной замираний на РРЛ. К таким процессам относятся:

а) ослабление в осадках (гидрометеорах) на частотах выше 6–7 ГГц;

б) изменение скорости убывания показателя преломления с высотой, что приводит к изменению траектории радиоволн;

в) отражения от слоистых неоднородностей в тропосфере с последующей интерференцией с прямой волной.

Âрадиолокации тропосфера и ионосфера являются источ- ником ошибок при определении координат цели радиолокационными станциями. Подробный анализ таких ошибок приведен в [16]. При углах места цели, больших 5°, рефракция радиоволн приводит к следующим систематическим ошибкам в определении угловых координат и дальности до цели:

ãäå 0 — начальный угол места в направлении на цель; N — индекс преломления тропосферы у поверхности Земли. В формулах (6.2) измеряется в микрорадианах (1 мкрад 5,73∙10–5 градуса 3,44∙10–3 угловых минут), r — в метрах.

Например, при 10° и N 313 (нормальная тропосфера)6,1 (угловых минут), r 12,6 ì.

В целом, максимальные ошибки по углу места не превосходят 1°, а по дальности — 100 м. Флуктуации показателя преломления тропосферы приводят к случайным ошибкам в определении координат цели. Ионосфера влияет на работу РЛС, если цель находится на высотах, превышающих 100 км, причем влияние уменьшается с ростом частоты согласно формуле (5.16). Графики, приведенные в [16], показывают, что систематические ошибки по дальности, вызванные рефракцией в ионосфере на частоте 10 ГГц, не превышают 0,1 м при высоте цели 180 км, а по угловым координатам 0,1 мрад, т.е. 0,34 угловых минуты.

Связь со спутниками и другими космическими объектами.

Очевидно, что радиосвязь с искусственным спутником Земли (ИСЗ) или другим космическим объектом, находящимся выше ионосферных слоев, возможна только в диапазоне УКВ, проникающих через ионосферу. Как правило, для этих целей используют остронаправленные антенны, и влиянием Земли можно пренебречь. Земля в этих случаях является источником тепловых шумов, которые рассматриваются далее в разд. 7. Верхние применяемые частоты ограничиваются поглощением в тропосфере, а нижние — поглощением в ионосфере, которое на этих частотах обратно пропорционально квадрату частоты (см. формулу (5.13)).

Суммарные потери в тропосфере и ионосфере минимальны в окне прозрачности от 0,1 до 6 ГГц, поглощение в котором не превышает одного децибела [13]. На практике обычно используют частоты от 1 до 10 ГГц.

Кроме поглощения, тропосфера и ионосфера создают следующие проблемы.

1. Рефракция радиоволн в тропосфере и ионосфере искривляет траекторию радиоволн. Это приводит к ошибкам в определении положения ИСЗ. Радиусы кривизны луча в тропосфере и ионосфере зависят от угла падения как 1/sin . Поэтому ошибка в определении угловых координат максимальна для пологих трасс и может составлять для тропосферы 1–2°. Рефракция в ионосфере увеличивается с уменьшением частоты и учитывается при частотах f 400 МГц. Ошибка из-за рефракции в ионосфере в определении положения ИСЗ может